高功率放大器在卫星通信中的应用

刘记都，杨 健，仲 成

（北京航天飞行控制中心，北京 100094）

0 引 言

高功率放大器是实现地基上行链路的重要器件，其作用是将被基带调制后的射频（Radio Frequency，RF）信号放大至一定的能量，再通过馈线传输至卫星。过去，卫星通信使用的高功率放大器都为微波电子管，如速调管放大器、行波管放大器以及场效应管放大器等，随着微波晶体管技术的发展，越来越多的固态放大器被应用在卫星通信。

1 速调管功放

1.1 概 述

速调管是一种通过对电子束速度进行周期调节而实现振动或放大的微波电子管，可以广泛应用于广播电视的发射机、雷达等系统，具有功率大、增益强等优点，最大输出功率可达兆瓦级别。在广播电视发射机中所采用的速调管，输出功率从数千瓦到数万瓦不等，其工作频带范围也可以覆盖全微波波段。

1.2 组成及原理

速调管是一种利用周期性调整电子束的电流实现振动与放大效应的微波电子管。1937 年，美国的物理学家拉塞尔·瓦里安和西格德·瓦里安发明了可应用于航空雷达的双空腔速调管振动器。速调管通常由电子枪、漂移管、输入腔、输出腔、中间腔以及收集极等部分构成。速调管先对电子束进行速度调制，经过漂移后转变为密度调制。群聚电子块与输出腔隙缝的微波场进行能量交换，通过微波场实现动能放大。速调管的组成如图1 所示。

图1 速调管的组成

电子枪通过速调管内加热会发射出一股电流，再外加一个正压，电流就会流向控制门。借助操控闸将电子聚集，形成完整的电子束，即便在高速运转的状态下，也丝毫不会散开。该设备除了具备一个输入室和一个输出室，还有若干个中间室。在此基础上，引入新的过渡态电子，可以增强其在传输过程的团聚作用，从而提升其传输性能。当一个电子在一个正向循环中运动时，会加快速度；当其在一个负向循环中运动时，速度会变慢。研究发现，这种新型的电子束所产生的交流电流与它所处的激励波形的周期一致，表现出很强的密度调制特征。

1.3 应 用

目前，国际上大部分卫星通信地面接收机均使用美国西匹埃工程服务公司所研制的GENIV 型3 kW速调管高功率放大器，其工作于C 频段，设计了24个预先设定的信道，每个信道具有45 MHz的工作频带，整体工作频带为5 850 ～6 425 MHz。该功率放大器属于窄频功率放大器，在使用时要依据工作的具体条件，适当调整其预定的信道频率。3 kW 速调管高功率放大器包括4 个模块，即射频模块、高压电源模块、分布式控制模块以及制冷系统。此结构的优点是只需对单一组件进行简单的维护，便能提高装置的运行可靠性，并减少装置的维护工作量。此外，各模块可单独放置于独立的储物柜，便于维护。多年的生产实践证明，GENIV 型3 kW 系列大功率放大电路性能优异，工作稳定。

2 行波管功率放大器

2.1 发展现状

行波管放大器（Raveling-Wave Tube Amplifier，TWTA）由行波管（Traveling Wave Tube，TWT）与行波管电源（Electronic Power Conditioner，EPC）2 部分组成。空间TWTA作为一种用于星载通信的末级器件，其保密程度较高，在星载通信领域的发展前景十分广阔[1]。其详细参数如表1 和表2 所示。

表1 不同厂家空间TWT 典型产品参数

表2 空间EPC 典型产品参数

由表1 和2 可知，EPC 的研发主要集中在L-3和THALES 这2 家公司身上，而空间TWT 的使用年限已经超过了15 年，即使是使用20 年，也是非常可靠的。相关资料显示，我国从20 世纪70 年代便开始对空间行波管放大器进行探索，经过多年努力，现已设计实现了多个频率范围内的空域行波放大器。以在导航卫星上采用的太空TWTA 为例，代表性产品参数如表3、表4 所示。

表3 太空TWT 典型产品参数

表4 太空EPC 典型产品参数

经过对比可知，国内的空间行波管放大器在性能上仍有较大的改进空间。

2.2 应用与发展

美国的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯的“格洛纳斯”（Global Navigation Satellite System，GLONASS）、欧洲的“伽利略”（Galileo Satellite Navigation System，GSNS）以及中国的“北斗星”（Beidou Navigation Satellite，BDS）都采用了L波段、S 波段、C 波段以及Ka 波段的空间行波管放大器，其输出功率增长至近200 W，输出功率和效率的需求也越来越大[2]。

目前，我国空间行波管放大器在L 波段已经取得200 W 连续输出，转换效率超过55 %，使用寿命超15 年，其主要有以下特点。一是更高的输出功率，从150 W 提高到200 W，甚至250 W；二是更高的效率，效率由之前的55%提高至60%～65%；三是使用年限较久，行波放大装置的使用年限超过20 年；四是各项指数线性化，实现了3 次交叉调制和相移指数的线性化，降低了信号畸变率和信号损耗；五是行波放大器的微型化；六是开发可调功率的行波放大器，能够进行在轨功率调节，并根据在轨操作模式的不同做出相应的改变，对其输出功率进行调节，能够保证最大效率地工作；七是发展“一带多”型行波放大器，一个高压电源负责多个行波放大器，从而节省了在卫星上的装设面积，有利于太空电源的空间合成；八是宽带空间行波放大器能与宽带天线匹配，工作于多种工作频段，完成多种工作频段的同步定位和信号传输。

3 固态功放

3.1 概 述

目前，固体功放是一种新的发展方向。固态功放（Solid State Power Amplifier，SSPA）是指使用功率管（晶体管）作为功放元件的功率放大器。相比于传统的微波电子管放大器，固态功放具有体积小、重量轻、效率高、无过冲、无过压、无过热、线性度好、失真度低以及可工作在高动态范围等显著特点。

传统的有源功放一般采用分立元件作为功率放大器的开关元件，但存在尺寸大、质量重、效率低等缺陷。由于采用分立元件设计，使得功放在使用时的可靠性降低[3]。而固态功放就是采用晶体管作为功率放大器开关器件，将晶体管集成在一个芯片，既减小了体积、重量、功耗，又提高了功放回路的稳定性。

固体功率放大器的放大部分由多个场效应晶体管（Field-Effect Transistor，FET）构成，目前市面上的主要设备为GaAs FET 放大器。FET 放大器具有更高的电导率、更强的抗干扰能力以及更低的噪声，更耐高压和高温，应用范围广泛。同时具有更好的线性度，工作频率可达45 GHz，尤其适用于高频率的无线通信。

实际应用中，为了提升功率，一台固态高功放中会含有多个功率放大模块，将其并联组合，接着通过功率合成器把多个功放模组的输出功率叠加在一起，这样功率合成器不仅可以发挥功率合成的作用，还可以保证每一个功率放大模块之间的相互隔离。当其中一个功率放大模块出现问题时，固态功放整体的状态不会改变，合成输出总功率会变小，但不会被打断[4]。各个功率放大模块之间既有一定的独立性，又有一定的互换性。多块模块可相互替换，大大提高了运行的安全性和维护的方便性。这种模块化的设计提升了功率的上限，同时提高了固态功放的整体可靠性。

3.2 应用价值

将固态功率放大器与微波管功率放大器对比后，可明显看出固态功放具有良好的线性度。将多个功率模块并联输出，就能起到代替远大于其功率的行波管或速调管功放的效果。同时，可以利用内置的多个功率模块来完成“1 ∶N”备用架构，无须额外的备用功率放大器，取代了当前各个地球站采用的“1 ∶1”备用架构，从而大大降低采购成本，维修的便捷性也有了显著的提高。

行波管与速调管是常见的故障元件，其故障概率较高。微波管功率放大器使用的是高压电源，因此需要重点关注高压打火等问题。在操作与维修时，也要时刻注意高压问题。固态功率放大器电源模块输出通常为低压电，整个设备更稳定可靠，操作与维修时也更安全[5]。

4 结 论

对比速调管功放、行波管功放、固态功放可知，速调管功放与行波管功放的输出功率更大。固态功放具有更好的互调特性，且能耗较低，使用寿命也较长。随着科学技术的不断发展，当固态功放能实现功率无限制增加时，固态功放将会全面取代传统的速调管功放与行波管功放，应用领域也会更加广泛，在卫星通信中的应用也会更加普遍。